Природный хладагент - Википедия - Natural refrigerant

Природные хладагенты вещества, которые служат хладагенты в охлаждение системы (включая холодильники, HVAC, и кондиционер ). Они являются альтернативой синтетическим хладагентам, таким как хлорфторуглерод (CFC), гидрохлорфторуглерод (ГХФУ) и гидрофторуглерод (HFC) хладагенты. В отличие от других хладагентов, натуральные хладагенты не являются синтетическими и встречаются в природе. Наиболее известные из них включают различные природные углеводороды, диоксид углерода, аммиак и воду.[1] Натуральные хладагенты предпочтительнее синтетических аналогов из-за их более высоких степеней защиты. устойчивость. При наличии современных технологий почти 75 процентов сектора холодоснабжения и кондиционирования воздуха могут быть переведены на естественные хладагенты.[2]

Фон

ХФУ в атмосфере с течением времени в долях на триллион

Синтетические хладагенты используются в холодильных системах с момента создания ХФУ и ГХФУ в 1929 году.[3] Когда эти хладагенты вытекают из систем в атмосферу, они могут отрицательно повлиять на озоновый слой и глобальное потепление. Хладагенты CFC содержат углерод, фтор и хлор и становятся значительным источником неорганического хлора в стратосфере после их фотолитического разложения под действием УФ-излучение. Выделяющийся хлор также становится активным в разрушении озонового слоя.[4] ГХФУ имеют более короткий срок службы в атмосфере, чем ХФУ, из-за добавления водорода, но все же оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду из-за содержащихся в них элементов хлора.[5] ГФУ не содержат хлора и имеют короткий срок службы в атмосфере, но все же поглощают инфракрасное излучение, способствуя увеличению парниковый эффект из их фторэлементов.[6]

В 1987 г. Монреальский протокол впервые признал эти опасности и запретил использование ХФУ к 2010 году.[7] Поправка 1990 г. включала соглашения о поэтапном отказе от использования ГХФУ к 2020 г. с прекращением производства и импорта к 2030 г.[8] Хладагенты ГФУ, которые оказывают незначительное влияние на озоновый слой, рассматривались как жизнеспособные заменители, но они также оказывают сильное влияние на глобальное потепление. В Кигалийская поправка 2016 г. требует сокращения этих ГФУ на 80% в течение следующих 30 лет.[9] Природные хладагенты являются одним из потенциальных вариантов замены ГФУ, и в результате их использование и популярность становятся все более популярными. Ожидается, что в отрасли естественных хладагентов будет совокупный годовой темп роста 8,5% в течение следующих 4 лет,[10] Ожидается, что к 2027 году ее объем будет составлять 2,88 млрд долларов США.[2]

Показатели устойчивости

Хладагенты обычно оцениваются как по их потенциал глобального потепления (GWP) и озоноразрушающая способность (ODP). Шкала GWP стандартизирована для диоксида углерода, где значение хладагента является кратным количеству тепла, которое может быть поглощено той же массой диоксида углерода за период времени.[11] Обычно это измеряется за 100-летний период. ODP измеряет относительное воздействие хладагента на озоновый слой, стандартизированный для R-11, который имеет значение 1.[12]

GWP и ODP сильно различаются для разных хладагентов. ХФУ, как правило, оказывают самое сильное воздействие, с высоким GWP и ODP. ГХФУ имеют аналогичные значения GWP и средние значения ODP. ГФУ снова имеют аналогичные значения GWP, но нулевое значение ODP. Природные хладагенты имеют значения GWP от низкого до нуля и нулевые значения ODP.[13] Поэтому естественные хладагенты вызывают все больший интерес к замене ГФУ и предлагают более экологичный вариант для охлаждения.[1]

ODP и GWP некоторых синтетических и натуральных хладагентов[13]
КлассификацияХладагентОзоноразрушающая способностьПотенциал глобального потепления
CFCR-12110,900
R-5020.334,657
ГХФУR-220.0551,810
R-1230.0677
HFCR-23014,800
R-320675
ЕстественныйR-170 (этан)06
R-744 (углекислый газ)01
R-717 (Аммиак)00
R-718 (Вода)00

Хладагенты

Углеводороды как хладагенты

Соединения чистого водорода умеренно используются в холодильной технике. Углеводороды являются жизнеспособным вариантом в качестве хладагентов, потому что, помимо обеспечения охлаждающих свойств, они также многочисленны и энергоэффективны. По оценкам, они до 50% более энергоэффективны, чем синтетические хладагенты.[14] Углеводороды также безвредны для окружающей среды, поскольку они существуют в природе и занимают низкое место по шкале потенциала глобального потепления (ПГП).[11] Исторически углеводороды в основном использовались в качестве хладагента для промышленного охлаждения и охлаждения, но с нынешним сдвигом в сторону естественных хладагентов они начинают видеть рост использования в других областях охлаждения.[1] Это излюбленный хладагент многих европейских стран.[15]

Углеводороды, используемые в качестве хладагентов, включают:

Воспламеняемость

Основной недостаток использования углеводородов в качестве хладагентов заключается в том, что они чрезвычайно воспламеняются при более высоких давлениях. В прошлом этот риск снижался за счет превращения углеводородов в ХФУ, ГХФУ и ГФУ,[16] но по мере того, как все чаще избегаются такие вещества, необходимо решать проблему воспламеняемости. Системы охлаждения работают за счет повышения давления хладагента до точки, при которой он начинает проявлять свойства хладагента, но с риском повышения давления углеводородов требуется более высокий уровень осторожности в отношении внутреннего давления. Чтобы углеводороды загорелись, сначала должен произойти выброс углеводородов, которые смешиваются с правильной пропорцией воздуха, а затем должен присутствовать источник воспламенения.[17] Диапазон воспламеняемости углеводородов составляет от 1 до 10%, а источник воспламенения должен иметь энергию выше 0,25 Дж или температуру выше 440 ° C.[15]

Текущие меры безопасности при использовании углеводородов изложены в Агентство по охране окружающей среды (EPA). Руководящие принципы EPA по использованию углеводородов в качестве хладагента включают в себя конкретное определение диапазонов давления для систем углеводородного хладагента, обеспечение удаления потенциально воспламеняющихся компонентов из углеводородных систем хладагента, таких как электрические компоненты, склонные к искрообразованию, и установление стандартов на конструкцию систем для обеспечения более высокий уровень безопасности.[16][18] Установка вентиляции таким образом, чтобы концентрация в воздухе была ниже предела воспламеняемости, и уменьшение максимального объема заправки хладагента - другие жизнеспособные меры безопасности.[15] Технологический прогресс в уменьшении общего количества заправляемого хладагента был недавно достигнут с использованием алюминиевых мини-канальных теплообменников.[19]

Приложения и использование

Рынки углеводородных хладагентов растут в результате растущей озабоченности экологическим воздействием типичных синтетических хладагентов. Согласно ASHRAE, доступное оборудование, в котором используется углеводородный хладагент, включает следующее:[1]

  • Системы с небольшой зарядкой, такие как бытовые холодильники, морозильники и портативные кондиционеры.
  • Автономные коммерческие холодильные системы, включая машины для производства напитков и мороженого
  • Централизованные непрямые системы для охлаждения супермаркетов
  • Транспортные холодильные системы для грузовых автомобилей
  • Чиллеры от 1кВт до 150кВт

Двуокись углерода как хладагент (R-744)

Двуокись углерода широко используется в качестве хладагента. Основное преимущество диоксида углерода как хладагента связано с тем, что он классифицируется EPA как хладагент A1,[16] помещает его в категорию наименее токсичных и опасных для хладагентов. Это делает диоксид углерода жизнеспособным хладагентом для систем, которые используются в областях, где утечка может вызвать воздействие. Двуокись углерода находит широкое применение в крупномасштабных холодильных системах, иногда через каскадное охлаждение система.[16] Он также редко используется в автомобильном холодильном оборудовании,[20] и считается подходящим для использования в бытовых, коммерческих и промышленных системах охлаждения и кондиционирования воздуха.[1] Двуокись углерода также имеется в большом количестве и недорога. Эти факторы привели к тому, что диоксид углерода используется в качестве хладагента с 1850 года, когда он был запатентован для использования в качестве хладагента в Соединенном Королевстве.[21] Использование углекислого газа в то время было ограничено из-за высокого давления, необходимого для проявления свойств хладагента, но это давление можно легко достичь и поддерживать с помощью современной технологии наддува.

Основное беспокойство по поводу использования диоксида углерода в холодильном оборудовании вызывает повышенное давление, необходимое для того, чтобы диоксид углерода действовал как хладагент. Диоксид углерода требует более высокого давления, чтобы иметь возможность конденсироваться в системе охлаждения, а это означает, что он должен находиться под давлением больше, чем другие природные хладагенты.[22] Для достижения необходимого давления для конденсации может потребоваться до 200 атмосфер.[23] Системы хладагента, использующие диоксид углерода, должны быть сконструированы так, чтобы выдерживать более высокое давление. Это предотвращает возможность модернизации старых систем охлаждающей жидкости для использования диоксида углерода. Однако, если двуокись углерода используется как часть каскадной холодильной системы, ее можно использовать при более низких давлениях.[21] Использование диоксида углерода в каскадных холодильных системах также означает, что вышеупомянутые преимущества доступности и низкой цены применимы к каскадной системе.

Есть также преимущества увеличения требуемого давления. Повышенное давление приводит к более высокой плотности газа, что позволяет достичь большего охлаждающего эффекта.[15] Это делает его идеальным для охлаждения плотных нагрузок, например, в серверных.[1] Это также позволяет диоксиду углерода хорошо работать в условиях холода (от -30 до -50 ° C), поскольку при данном падении давления происходит очень небольшое снижение температуры насыщения.[15] В пластинчатых и шоковых морозильниках отмечены улучшения в эффективности и времени замораживания с использованием диоксида углерода.[15] Есть также предложения по усовершенствованию термодинамических циклов для увеличения эффективности углекислого газа при более высоких температурах.[19] Оборудование с хладагентом на основе диоксида углерода также не обязательно тяжелее, громоздче или опаснее аналогичного оборудования, несмотря на более высокое рабочее давление из-за снижения объемного расхода хладагента.[24]

Когда давление углекислого газа поднимается выше критическая точка 7,3773МПа не подлежит ликвидации. Отвод тепла должен происходить путем охлаждения плотного газа, что создает ситуацию, выгодную для водяных тепловых насосов. Они особенно эффективны при подаче холодной воды.[1]

Аммиак как хладагент (R-717)

Аммиак (NH3), используемый в качестве хладагента, безводный аммиак, который представляет собой аммиак с чистотой не менее 99,5%.[25] Вода и масло не могут превышать 33 и 2 частей на миллион соответственно. Аммиачный хладагент хранится в емкостях под давлением. Когда давление сбрасывается, она подвергается быстрому испарению, в результате чего температура жидкости падает, пока она не достигает точки кипения -28 ° F, что делает ее полезной в холодильных системах.[25]

Аммиак часто используется в промышленном холодильном оборудовании с тех пор, как он был впервые использован в процессе сжатия в 1872 году. Он используется из-за его благоприятных термодинамических свойств, эффективности и рентабельности.[26] Аммиак производится в огромных количествах благодаря производству удобрений, что делает его относительно недорогим.[1] У него нулевые ПГП и ОРП, что делает утечку аммиака незначительной для климата.[27] Аммиак также толерантен к минеральным маслам и невосприимчив к небольшому количеству воды в системе.[15] Теплота испарения аммиака высокая, а скорость потока низкая, что требует использования других технологий, чем другие хладагенты. Низкая скорость потока исторически ограничивала использование аммиака в системах с большей производительностью.[26]

Одна из самых серьезных проблем, связанных с использованием аммиака в холодильном оборудовании, - это его токсичность. По данным EPA, аммиак в определенных дозах смертен, но надлежащая подготовка и протоколы действий в чрезвычайных ситуациях могут снизить эти риски до одного случая смерти за десятилетие.[1] Одной из причин этого является необычный запах аммиака, который позволяет людям обнаруживать утечки при уровне всего 5 частей на миллион, в то время как его токсические эффекты начинаются выше 300 частей на миллион.[1] Воздействие продолжительностью до тридцати минут также можно устранить без длительного воздействия на здоровье.[27] В результате большая часть опасностей, связанных с использованием аммиака в качестве хладагента, на самом деле является лишь вопросом общественного мнения. Поэтому основная цель мер безопасности - избежать быстрого повышения концентрации до уровня общественной паники.[15] Воспламеняемость также не вызывает особого беспокойства, поскольку диапазон воспламеняемости составляет 15-28%, что может быть обнаружено задолго до этого.[26] Он классифицируется как 2L ASHRAE из-за низкой воспламеняемости.[27]

Приложения и использование

Применения хладагента на основе аммиака могут включать следующее:[27][1]

Ожидается рост использования аммиака в HVAC & R отрасли, поскольку все больше чиновников узнают об относительной безопасности. Он уже используется в крупных тепловых насосах и продуктовых магазинах, а также в таких проектах, как Международная космическая станция.[27] Подобно диоксиду углерода, аммиак также можно использовать в каскадных холодильных системах для повышения эффективности процесса охлаждения. Растет использование каскадных холодильных систем, содержащих как аммиак, так и диоксид углерода.[27] Абсорбционные чиллеры со смесью вода / аммиак также экономически эффективны в некоторых областях применения, таких как комбинированные холодильные, теплоэнергетические системы.[1] Развитие технологий также делает аммиак все более жизнеспособным вариантом для небольших систем.[26]

Вода как хладагент (R-718)

Вода нетоксична, негорючая, имеет нулевые значения ПГП и ОРП и невысока.[1] Технические проблемы, такие как высокий уровень воды удельный объем при низких температурах, высоких коэффициенты давления требуется через компрессор, и высокие температуры на выходе из компрессора, существуют как препятствия для использования воды и водяного пара в качестве хладагента.[28] Кроме того, в некоторых приложениях могут быть проблемы с отложением отложений и размножением бактерий, хотя эти проблемы можно свести к минимуму с помощью таких методов, как добавление химикатов для борьбы с бактериями и смягчение используемой воды.[29]

Вода обычно используется при более высоких температурах в абсорбционных чиллерах на основе бромида лития, но коэффициент производительности (COP) в этих приложениях составляет лишь одну пятую от типичных центробежных чиллеров с электроприводом.[1] Парокомпрессионные холодильные циклы - редкое применение, но потенциально могут дать высокий КПД из-за теплофизических свойств воды.[30] Помимо абсорбционных чиллеров, воду можно использовать для осушения адсорбентом / испарительного охлаждения, адсорбционных чиллеров и компрессионных чиллеров.[15] Воду также предлагалось использовать в специальных роторных компрессорах, хотя размеры и цена этих систем могут стать очень большими.[15]

В типичном Тепловой насос Вода в системах может быть идеальным хладагентом, при этом в некоторых приложениях КПД превышает 20.[15] Это делает его очевидным выбором для промышленных приложений с температурами выше 80 ° C.[31] Вода также показала свою жизнеспособность в качестве хладагента в геотермальных тепловых насосах.[32]

Типичный цикл Брайтона

Воздух как хладагент

Воздух свободный, нетоксичный и не оказывает негативного воздействия на окружающую среду. Воздух можно использовать в качестве хладагента в системы охлаждения с воздушным циклом, которые работают на обратном Брайтон или же Джоуль цикл.[33] Воздух сжимается и расширяется для создания нагревательной и охлаждающей способности. Первоначально использовались поршневые детандеры и компрессоры, что создавало низкую надежность.[33] С изобретением роторного компрессоры и расширителей эффективность и надежность этих циклов повысилась, а вместе с новыми компактными теплообменники позволяет воздуху конкурировать с более традиционными хладагентами.[33]

Благородные газы как хладагенты

Благородные газы редко используются в качестве хладагентов. В основном благородные газы в качестве хладагентов используются в экспериментальных системах жидких сверххладагентов в лабораториях или сверхпроводники. Это особенно относится к жидкий гелий, который имеет температуру кипения 4,2 К.[34] Они никогда не используются для промышленного или домашнего охлаждения.

Другие природные хладагенты

Эти естественные хладагенты представляют собой вещества, которые могут использоваться в холодильных системах, но не используются или используются очень редко из-за наличия соединений, которые либо менее дороги, либо их легче обрабатывать и содержать.

Кислородные соединения

Соединения азота

Смазка

В холодильных системах масло используется для смазки деталей компрессора, чтобы обеспечить правильную работу. При обычных операциях часть этой смазки может случайно попасть в другую часть системы. Это отрицательно влияет на теплопередачу и фрикционные характеристики хладагента.[35] Чтобы этого избежать, смазочное масло должно быть достаточно совместимо и смешиваться с хладагентом. В системах CFC используются минеральные масла, однако системы HFC несовместимы и требуют использования масел на основе сложных эфиров и полиалкиленгликоля, которые значительно дороже.[35]

Углеводороды обладают хорошей растворимостью со стандартными минеральными маслами, поэтому необходимы смазочные материалы с очень низкой растворимостью. Полиалкиленгликоль и Полиальфаолефин обычно используются в этих системах из-за их низкой температуры застывания и давления пара.[36] Традиционные масла нельзя использовать для смазок в системах с двуокисью углерода, поскольку они более растворители, чем большинство ГФУ.[37] Полиэфирное масло специально разработано для использования в системах на основе диоксида углерода, а также помогает защитить от повышенного износа подшипников и затрат на техническое обслуживание, которые могут возникнуть в результате более высоких напряжений и давлений в системе с диоксидом углерода.[36] Аммиак требует смазочных материалов с низкими рабочими температурами и высокой стойкостью к окислению, текучестью и вязкостью. Обычно используются полиальфаолефин или смеси полиальфаолефина и алкилбензола.[36]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п https://www.epa.gov/sites/production/files/documents/ASHRAE_PD_Natural_Refrigerants_2011.pdf
  2. ^ а б Данные, отчеты и (2020-08-07). «К 2027 году рынок природных хладагентов достигнет 2,88 миллиарда долларов | Отчеты и данные». Комната новостей GlobeNewswire. Получено 2020-12-17.
  3. ^ «История кондиционирования». Energy.gov. Получено 2020-12-15.
  4. ^ Министерство торговли США, NOAA. «Лаборатория глобального мониторинга NOAA - галоуглероды и другие микробы в атмосфере». www.esrl.noaa.gov. Получено 2020-12-16.
  5. ^ Министерство торговли США, NOAA. «Лаборатория глобального мониторинга NOAA - галоидоуглероды и другие микробы в атмосфере». www.esrl.noaa.gov. Получено 2020-12-16.
  6. ^ Министерство торговли США, NOAA. «Лаборатория глобального мониторинга NOAA - галоуглероды и другие микробы в атмосфере». www.esrl.noaa.gov. Получено 2020-12-16.
  7. ^ «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой».
  8. ^ «Департамент сельского хозяйства, водных ресурсов и окружающей среды». Департамент сельского хозяйства, водных ресурсов и окружающей среды. Получено 2020-12-15.
  9. ^ Агентство по охране окружающей среды США, OAR (15.07.2015). «Последние международные события в рамках Монреальского протокола». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-12-15.
  10. ^ «Глобальный рынок хладагентов нового поколения (природные хладагенты, гидрофторолефины и другие), конкуренция, прогноз и возможности, 2024 г. - ResearchAndMarkets.com». www.businesswire.com. 2019-10-18. Получено 2020-12-17.
  11. ^ а б Агентство по охране окружающей среды США, OAR (12 января 2016 г.). «Понимание потенциала глобального потепления». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-10-19.
  12. ^ «Индикаторы воздействия на окружающую среду для хладагентов: ODP, GWP, TEWI • Darment». Дармент. 2020-02-20. Получено 2020-12-15.
  13. ^ а б «Экологические данные хладагентов. Разрушение озонового слоя и потенциал глобального потепления» (PDF).
  14. ^ Креатив, Бам. «Об углеводородных хладагентах». engas Australasia. Получено 2020-10-19.
  15. ^ а б c d е ж грамм час я j k Bolaji, B.O .; Хуан, З. (01.02.2013). «Разрушение озонового слоя и глобальное потепление: аргументы в пользу использования природного хладагента - обзор». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 18: 49–54. Дои:10.1016 / j.rser.2012.10.008. ISSN  1364-0321.
  16. ^ а б c d https://www.epa.gov/sites/production/files/documents/en-gtz-proklima-natural-refrigerants.pdf
  17. ^ «Нижний и верхний пределы взрываемости для легковоспламеняющихся газов и паров (НПВ / ВПВ)» (PDF).
  18. ^ «Углеводородное охлаждение, что должен знать каждый специалист - Часть 1». углеводороды21.com. Получено 2020-10-19.
  19. ^ а б Чеккинато, Лука; Корради, Марко; Минетто, Сильвия (2012-12-15). «Энергоэффективность интегрированных систем охлаждения и кондиционирования воздуха в супермаркетах, работающих с природными хладагентами». Прикладная теплотехника. 48: 378–391. Дои:10.1016 / j.applthermaleng.2012.04.049. ISSN  1359-4311.
  20. ^ «Новые автомобильные хладагенты». www.aa1car.com. Получено 2020-10-20.
  21. ^ а б http://www.cold.org.gr/library/downloads/Docs/CO2%20_A%20refrigerant%20from%20the%20past%20with%20prospects%20of%20being%20one%20of%20the%20mai%20refrigerants%20in% 20the% 20future.pdf
  22. ^ «R744». r744.com. Получено 2020-10-20.
  23. ^ «Глава 9: Двуокись углерода (R744) - новый хладагент (обновлено 26 ноября 2019 г.)». www.ohio.edu. Получено 2020-10-20.
  24. ^ Cavallini, A .; Зилио, К. (2007-07-01). «Двуокись углерода как естественный хладагент». Международный журнал низкоуглеродных технологий. 2 (3): 225–249. Дои:10.1093 / ijlct / 2.3.225. ISSN  1748-1317.
  25. ^ а б «Аммиачное охлаждение - свойства аммиака». www.osha.gov. Получено 2020-12-16.
  26. ^ а б c d «Натуральные хладагенты» (PDF).
  27. ^ а б c d е ж https://www.ashrae.org/File%20Library/About/Position%20Documents/Ammonia-as-a-Refrigerant-PD-2017.pdf
  28. ^ «COP R718 ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГИМИ СОВРЕМЕННЫМИ ХЛАДАГЕНТАМИ» (PDF).
  29. ^ Wang, R. Z .; Ли Ю. (01.06.2007). «Перспективы природных рабочих жидкостей в Китае». Международный журнал холода. 30 (4): 568–581. Дои:10.1016 / j.ijrefrig.2006.11.004. ISSN  0140-7007.
  30. ^ Wang, R. Z .; Ли Ю. (01.06.2007). «Перспективы природных рабочих жидкостей в Китае». Международный журнал холода. 30 (4): 568–581. Дои:10.1016 / j.ijrefrig.2006.11.004. ISSN  0140-7007.
  31. ^ Лоренцен, G (1995-03-01). «Использование естественных хладагентов: полное решение проблемы CFC / HCFC». Международный журнал холода. 18 (3): 190–197. Дои:10.1016 / 0140-7007 (94) 00001-E. ISSN  0140-7007.
  32. ^ Ву, Вэй; Скай, Харрисон М. (2018-08-01). «Прогресс в создании геотермальных тепловых насосов с использованием природных хладагентов». Международный журнал холода. 92: 70–85. Дои:10.1016 / j.ijrefrig.2018.05.028. ISSN  0140-7007.
  33. ^ а б c «Воздушный цикл охлаждения» (PDF).
  34. ^ «18.12: Возникновение, получение и свойства благородных газов». Химия LibreTexts. 2015-09-30. Получено 2020-10-20.
  35. ^ а б Ван, Чи-Чуань; Хафнер, Армин; Куо, Чэн-Шу; Се, Вен-Дер (01.09.2012). «Обзор влияния смазки на характеристики теплопередачи для обычных хладагентов и естественного хладагента R-744». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 16 (7): 5071–5086. Дои:10.1016 / j.rser.2012.04.054. ISSN  1364-0321.
  36. ^ а б c «Использование смазочных материалов в системах с использованием природных хладагентов» (PDF).
  37. ^ «Влияние природных хладагентов на смазочные материалы». Замороженные продукты Европа. 2018-03-23. Получено 2020-12-17.

внешняя ссылка

Смотрите также